篮球比赛倒计时计分器毕业设计.doc

目 录篮球比赛倒计时计分器毕业设计目 录第1章 引言11.1背景知识介绍11.2 设计意义21.3 设计目的2第2章 系统硬件介绍32.1 MCS-51单片机简述32.1.1单片机AT89C51简介32.1.2 主要特性62.1.3 管脚说明62.1.4 芯片擦除82.1.5 空闲节电模式82.1.6 掉电模式92.1.7 程序储存器的加密102.1.8 AT89C51的极限参数102.2 显示器及其接口112.2.1显示器介绍112.2.2结构与原理122.2.3 LED显示器显示方式142.2.4 LED显示器接口实例162.3 CD4511芯片介绍182.4 CD4094芯片介绍202.5 74LS21芯片介绍212.6 报警器222.6.1报警器的分类222.6.2报警器工作原理22第3章 硬件电路设计233.1 Protel99软件介绍233.1.1 关于EDA技术与Protel99简要介绍233.1.2 Protel99界面及功能简述243.1.3 Protel99设计电路步骤253.2系统方案设计263.2.1系统构成框图263.2.2器件选择273.2.3基本功能介绍273.3硬件总体设计293.4 计时电路部分313.4.1.振荡电路313.4.2计时电路原理323.4.3计分电路原理图333.4.4 计时电路的工作原理343.5计分电路部分343.5.1 串行接口工作原理353.5.2比分校正控制电路363.5.3计分电路原理图373.5.4 计分电路的工作原理383.6球赛计时计分器的工作过程393.7硬件电路PCB板图40第4章 软件编程及调试414.1开发环境介绍414.1.1汇编语言特点简介414.1.2开发软件介绍424.2软件设计434.2.1 编程设置及总流程框图434.2.2主要模块说明454.3系统调试464.3.1软件调试464.3.2仿真调试48第5章 结论49参考文献51致 谢52附 录53外文资料原文59第1章 引言第1章 引言1.1背景知识介绍单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。例如，80C51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的趋势，就充分证明了这一点。单片机以其一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器等。而美国ATMEL公司开发生产了新型的8位单片机AT89系列单片机。他不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，此次设计中所用到的AT89C51就是其中典型的代表。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。单片机是靠程序实现功能的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件的话，电路一定是一块大PCB板。但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。 1.2 设计意义单片机的应用是具有高度现实意义的。单片机极高的可靠性，微型性和智能性（我们只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作），单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的日常生活当中通过此次基于单片机设计的篮球计时计分系统，我们可以更清楚详细的了解单片机程序设计的基本指令功能、编程步骤和技巧来讲述单片机编程，并对MCS-51单片机的结构和原理进行讲述，以及基于单片机开发应用的相关芯片的工作原理，并且可以在将来的工作和学习中加以应用。1.3 设计目的随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应运而产生，如用单片机控制LCD液晶显示器计时计分器，用单片机控制LED七段显示器计时计分器等。本次设计用由AT89C51编程控制LED七段数码管作显示的球赛计时计分系统。该系统具有赛程定时设置，赛程时间暂停，及时刷新甲、乙双方的成绩以及赛后成绩暂存等功能。它具有价格低廉，性能稳定，操作方便并且易于携带等特点。广泛适合各类学校或者小型团体作为赛程计时计分。通过本次基于C51系列篮球计时计分器的设计，可以了解、熟悉有关单片机开发设计的过程，并加深对单片机的理解和应用以及掌握单片机与外围接口的一些方法和技巧，这主要表现在以下一些方面：(1) 篮球赛计时计分系统包含了8051系列单片机的最小应用系统的构成，同时在此基础上扩展了一些使用性强的外围接口。(2) 可以了解到LED显示器的结构、工作原理以及这种显示器的接口实例与具体连接与编程方法。(3) 怎样利用串行口来扩展显示接口等。第2章 系统硬件介绍第2章 系统硬件介绍2.1 MCS-51单片机简述2.1.1单片机AT89C51简介MCS511是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。本课题中用到的芯片就是AT系列中的AT89C51单片机芯片。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。它是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。如图所示，图2-1为AT89C51单片机基本构造，其基本性能介绍如下：图2-1 AT89C51引脚图AT89C51本身内含40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。下图为AT89C51方框原理图图2-2 AT89C51方框原理图2.1.2 主要特性：AT89C51的主要特性如下表所示： 兼容MCS51指令系统 4k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 可编程UARL通道 两个16位可编程定时/计数器 全静态操作0-24MHz 1个串行中断 128x8bit内部RAM 两个外部中断源 共6个中断源 可直接驱动LED 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能表2-1 AT89C51主要功能描述2.1.3 管脚说明 VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：表2-2 AT89C51特殊功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.1.5 空闲节电模式 AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态，IDL是空闲等待状态，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态，如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电工作模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或者硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可以将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。为了避免对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令的后一条指令不应是一条对端口或者外部存储器的写入指令。2.1.6 掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并且稳定的工作。空闲和掉电模式外部引脚状态如表2-3所示表2-3 外部引脚状态表模式空闲模式空闲模式掉电模式掉电模式程序存储器内部外部内部外部ALE1100/PROG1100P0数据浮空数据浮空P1数据数据数据数据P2数据数据数据数据P3浮空浮空数据数据2.1.7 程序储存器的加密AT89C51可使用对芯片上的三个加密位LB1、LB2、LB32进行编程（P）或者不进行编程（U）。当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA断的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有服位，则锁存起的初始值是一个随机数，这个随机数会保存到真正复位为止。2.1.8 AT89C51的极限参数表2-4 极限参数表2.2 显示器及其接口2.2.1显示器介绍显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。发光二极管LED，组成的显示屏，每个点都是一个或多个发光二极管，通过控制电路控制二极管的亮与灭来控制点的发光，从而使整个大屏幕显示图案。 液晶显示器LCD最常见的就是TFT类型的，它是由光源，液晶光栅，和控制芯片组成，他的光源是常亮的白色强光，当光线通过液晶光栅（液晶屏）的时候，通过电压改变液晶颗粒滤光方向，从而改变每个点的颜色和强度来显示图案。液晶显示器分很多种类，按显示方式可分为段式，行点阵式和全点阵式。段式与数码管类似，行点阵式一般是英文字符，全点阵式可显示任何信息， 如汉字、图形、图表等。两者之间的区别：（1）二极本身发光， 液晶本身不发光，只是透射光。 （2）二极管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低。液晶成本较高，面积无法做得很大，但图像质量很好，适合做显示器。 （3）二极管耗电大，液晶耗电小。（4）二极管图像刷新率低，液晶的高 二者的档次相差比较大，一般来讲在一些图像简单，对成本控制较严格的场合，用二极管，比如商场、银行等服务部门的电子提示窗，街道、百货公司外面的广告宣传窗；而液晶一般都是作计算机显示器、电视、手持设备等对图像质量要求高的场合。下面介绍发光二极管显示器（LED）的结构、工作原理及其接口电路。2.2.2结构与原理下图为典型的数码管：图2-3 7段LED数码管如上图，LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LEDD显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。如下图所示。图2-4 共阴与共阳极LED显示器LED显示器可分为共阳和共阴两种结构，如上图所示。图上为共阴结构。即把8个发光二极管阴极连在一起。这时如果需要点亮a到g中的任何一盏灯，只需要在相应的端口输入高电平即可；输入低电平则截止。比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的a、b、c、d、g段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示P字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。表2-6列出了共阳极与共阴极LED显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系表2-5 代码对应表显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH2.2.3 LED显示器显示方式点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。在本次设计中，采用的是静态显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。从下图可以看出，每位LED显示器需要单独占用8根端口线，因此，在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式。图2-5 动态显示图所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器。下图为4位LED显示器动态显示电路。图2-6 静态显示图在此电路中，单片机的P1口用于控制4位LED的段选码：P2口的P2.0P2.3用于控制4位LED位选码。由于所有的段选码连在一起，所以同一瞬间只能显示同一种字符。但如果要显示不同字符，则要借助位选码来控制。（如果LED为共阴则P2.0P2.3输出为高电平，如果LED为共阳则P2.0P2.3输出为低电平。）例如，现在要显示5678四个数字，则首先应该将“5”的显示代码（共阴LED显示器的显示代码为6DH，共阳LED显示器的显示代码为92H）由P1.0送出，然后P2.0P2.3输出相应位码（LED为共阴则P2.0P2.3输出1000，） LED为共阴则P2.0P2.3输出0111）时，则可以看到在数码管1上显示的数字为“5”。再将显示的数字“5”延时510ms，以造成视觉暂留效果；同时代码由P1.0送出。用同样的方法将其余3个数字“678”送数码管2，3，4显示，于是最后则可以在4位LED显示器上看到“5678”四个数字。为了使显示效果更加稳定，可以使每个数码管显示的数字不断的重复，但其中重复频率达到了一定的程度的时候，加之人眼睛本身的视觉暂留效果的作用，便可以看到相当稳定的“5678”四个数字。如下表，即为模拟以上的过程表（以共阴LED设置显示代码，共阳与此相反）。表2-6 模拟过程表2.2.4 LED显示器接口实例由LED的结构及工作原理可知，要想在LED上显示数据或者字母，则首先必须要把待显示的数据或者字母转换成LED的7位显示代码，方可显示相应的数字或者字母。通过实现这种转换有两种方法：一种是专用硬件译码器，另一种是专用软件译码器。本次设计采用的是专用硬件译码器CD4511实现。现将两种方法分别介绍如下：本次设计采用的是硬件译码方式，首先来介绍一下译码器。2.2.4.1变量译码器变量译码器的输出表示输入变量的状态。常用的3-8线译码器TTL电路型号有74S138、74LS138等，CMOS电路型号是74HC138。两者的功能及引脚完全一样，功能见下表。表2-7 功能引脚表输入输出使能选择S1A2A1A0X1XXX111111110XXXX1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110常见的4-7线译码器，TTL型号是74154、74S154和74LS154等，CMOS电路是74HC154，两者功能与引脚图也完全一样。2.2.4.2码制变换译码器码制变换译码器是将一种代码变换为另一种代码的电路。例如74LS42，其输入是由4位二进制代码表示的十进制数（BCD码），有10条输出线表示十进制数09，称之为4-10线译码器。2.2.4.3显示译码器(1)显示器件常见的显示器有白炽灯、辉光数码管、荧光数码管、发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD）等。目前用的较多的是发光二极管和液晶显示器。我们只对发光二极管显示器作一简单介绍。LED字型以七段显示器为常见，分为共阳极式与共阴极式接法。共阳极接法的器件如LA-5011，LA-5021，LA-5031等。共阴极接法LED型号只是将LA换成了LC，其他部分及意义完全一样。(2)显示译码器由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，故所对应的显示译码器也不同，使用共阳数码管时，公共阳极接电源电压，七个阴极ag由相应的BCD-七段译码器的输出来驱动。对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的输出驱动ag各阳极。若数码管为共阴，则选用输出为高电平有效的显示译码器。若数码管为共阳，则选用输出为低电平有效的显示译码器。驱动共阴数码管的BCD-七段的译码器有7448、74LS48等，该功能CMOS电路为CD4511及MC14513等。驱动共阳数码管的显示译码器有7447、74LS47和74LS247等。D、C、B、A为BCD码输入端，BI为隐功能端。BI=1，正常显示：BI=0字型消隐。LT为测试端，LT=1时，正常显示；LT=0时，显示器显示8。LE为锁存端，LE=0不锁存，译码器输出随输入BCD码变化；当LE由0变1时，将输入的BCD码锁存。由计数器、显示译码器和显示器构成的显示系统由CD40150组成。CD40150为CMOS可预置数的二一十进制加法计数器。MR为清零端，当该端为低电平时，计数器清0。PE为预置控制端，当该端为低电平时，在下一个时钟的上跳沿将需要预置的数据D0D3送到计数器的Q0Q3端。只有MR、PE、CEP和CET均为高电平时，计数器才进行加法计数。本次设计采用专用的带驱动器的LED段译码器，类似译码器种类比较多，如CD4511，MC14495，74LS164等2.3 CD4511芯片介绍在本次设计中，由于只要求LED显示器显示09十个数字，因此我们选用CD4511为LED显示器的译码芯片。CD4511是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”电路。锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。译码器将BCD码转换成7段码，再经过大电流反相器，驱动共阴极LED数码管。译码器属于非时序电路，其输出状态与时钟无关，仅取决于输入的BCD码。如图显示为CD4511引脚分布图，DA为BCD码输入端。ag是7段码输出端。 图2.7 CD4511引脚分布图CD4511为四七段BCD码译码器；它可以实现对BCD码的译码，但不对大于9的二进制数译码。其中，AD为BCD码输入端；ag是7段输出；LT为试灯脚；BI为消隐（灭灯）；LT和BI接高电平（电源）；LE端为选通脚，接低电平有效，当LT=0时LED数码管显示全亮笔段“8“字，可以检查数码管的质量好坏，有无笔段残缺现象。当BI=0时，强迫显示器消隐；当LE=0时选通，LE=1时锁存。考虑到正常工作时不需检查LED的全亮笔段，不必强迫LED消隐，因此将LT、BI端接UDD。需要加锁存功能时LE端应接上拉电阻，常态下呈高电平，选通信号为负脉冲。进行累计数译码显示时不需要锁存功能，LE端可固定接USS。LED数码管的每段工作电流IF一般为5mA10mA，7段全亮电流可达35mA70mA。考虑到依次显示09数字时每次平均只有4.5段发光。因此正常显示的平均电流为17mA32mA。LED的正向压降UF1.5V2V。CD4511选5V电源时，每段最大输出电流为40mA50mA。这表明必须采取限流措施，以免因驱动电流过大而损坏数码管。具体方法是在每个笔段驱动端串入几百欧的限流电阻R，将各段驱动电流限制在5mA10mA为宜。改变R值，可以调节IF，进而控制显示器亮度。选择UDD5V、10V、15V时，CD4511输出的高电平依次约为4V、9V和14V。举例说明：假设设UDD5V，IF10mA，UOH4V，UF3-4V。那么由此可以计算出R210。可选标称阻值为200的1/8W电阻。UF的准确值可用数字多用表的二极管挡测出。使用时，只要将CD4511的输入端与微机系统输出端口的某4个数据位相连，而CD4511的输出直接与LED的ag相连，便可实现对BCD的显示。下图为对1位BCD码的显示图2-8 CD4511对BCD码的显示下表为CD4511的逻辑功能表。表2-8 CD4511逻辑功能表2.4 CD4094芯片介绍在本次设计的计分电路中，我们使用集成电路CD4094。CD4094是8位移位寄存器，它主要完成串行输入，并行输出8位数据的功能，所以又叫8位串/并转换器。下图为CD4094的引脚图：图2-9 CD4094引脚分布图2.5 74LS21芯片介绍本次设计中的比分校正电路采用四输入与门74LS21来实现。74LS21是双4输入与门。在一个芯片里有两个相同的单元，其中一个任何一个都是1/2断口。同型号的74系列、74HC系列、74LS系列芯片，逻辑功能上是一样的。下表为74、74HC、74LS系列芯片资料。表2-9 74、74HC、74LS相关资料表系列电平典型传输延迟ns最大驱动电流(-Ioh/Lol)mAAHCCMOS8.5-8/8AHCTCOMS/TTL8.5-8/8HCCOMS25-8/8HCTCOMS/TTL25-8/8ACTCOMS/TTL10-24/24FTTL6.5-15/64ALSTTL10-15/64LSTTL18-15/242.6 报警器2.6.1报警器的分类蜂鸣器有两类3大品种。一类是压电式，一类是电磁式，电磁式又有两大品种，铁振膜式和动圈式，二者原理一样只是结构不同。所有蜂鸣器都有两种类型：纯蜂鸣器和带驱动的蜂鸣器，蜂鸣器都是用音频信号驱动的，都是交流驱动。2.6.2报警器工作原理报警器的种类很多，比如：扬声器，蜂鸣器等，本次设计采用的是电磁式蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、震动膜片以及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号通过电磁线圈，使得电磁线圈产生了一个磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。第3章 硬件电路设计第3章 硬件电路设计系统硬件由以下几个部分组成：（1）单片机 AT89C51（2）计时电路（3）计分电路（4）按键开关说明：整个系统只用一片AT89C51；在图中将计时电路与计分电路分开画，只是为了能够更好的更清晰的说明问题；并且在整个画图过程中将AT89C51引脚打乱是为了使图示能够更加的清晰明了。3.1 Protel99软件介绍本次设计的原理图与PCB板仿真及封装数据采用的是一款多功能软件Protel99。基于EDA技术的仿真软件Protel99在模拟电路中有强大的仿真功有和模拟实现功能。3.1.1 关于EDA技术与Protel99简要介绍EDA(Electronic Design Automation)是未来技术发展不可阻挡的潮流，Protel公司最新推出Protel99SE是开创桌面EDA的新纪元，它不仅在绘制原理图、PCB板布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供了功能强大，使用方便的电路仿真器，它可对所设计的电路原理图进行模拟、分析、验证，即时的反映所设计电路的性能。与实验室里使用一系列电子元件和测试仪器才可完成的电路验证相比，这种电路仿真的技术即省时又经济，而且还可避免实验中发生的各种损坏和事故。3.1.2 Protel99界面及功能简述本次设计使用的是软件Protel99 3。Protel99是PROTEL公司推出的最新版本，应用于电路原理图设计、电路板设计等，他基于Windows环境，功能强大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。它能基于Windows 98/2000/NT环下的电路原理图辅助设计与绘制软件其功能模块包括电路原理图设计、印制电路图设计、电路信号仿真、可编程逻辑器件设计。Protel99软件沿袭了PROTEL以前版本方便易学的特点，内部界面与PROTEL 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel99SE的绘图界面如下：图3-1 Protel99绘图界面Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 3.1.3 PROTEL99设计电路步骤一般而言，设计电路板的最基本过程可分为两大步骤2：电路原理图的设计；印制电路板的设计。图3-2原理图设计流程图3-3 PCB板的设计流程3.2系统方案设计3.2.1系统构成框图基于单片机系统的篮球赛计时计分器的系统构成框图如图所视。 图3-4 系统构成图本系统采用单片机AT89C51作为本设计的核心元件。利用七段共阴LED作为显示器件。在本次设计中，共接入十个七段共阴LED显示器，其中6个用于计录甲、乙两队的分数，每队3个LED显示器分数范围可达到0999分，足够满足赛程需要。另外4个LED显示器则用于计录赛程的时间，其中两个用于显示分钟；2个用于显示秒钟。赛程计时采用倒计时方式。即比赛前将时间设置好，比赛开始时启动计时，直至计时到零为止。根据设计，计时范围可达099分钟，也完全满足赛程的需要。其次，为了配合计时器和计分器校正、调整时间和比分，特定在本设计中设立了7个按键。其中4个用于输入甲、乙两队的分数；另外3个则用于完成设置、调整、启动和暂停赛程时间等功能。3.2.2器件选择本系统在设计的过程中主要选取了以下一些器件：单片机：AT89C51四一七段BCD译码芯片：CD4511并行 / 串行转换芯片：CD4094四输入与门：74LS21显示器件：7段共阴LED显示器按键：欧姆龙按键3.2.3基本功能介绍3.2.3.1赛程时间设置在3-4所示的计时电路中。按键开关K5、K6用来设置赛程时间。比如：比赛时间上半场时间20分钟，则通过按键K5键，使数码管1显示“2”即可；再按K6键，设置比赛时间的个位数，使数码管2显示“0”即可。一般比赛时间为40分钟，所以只需要按K5键使数码管1显示“4”，按K6使数码管2显示“0”即可。时间设置好后，等待比赛开始。当比赛结束时，如果由于一些特殊原因需要增加比赛时间，这时增加比赛时间同样由按键K5、K6来设置，并且设置方法与上面所述一眼，但一般情况下只需要按K6键来设置即可，因为加时比赛一般只有几分钟而已。3.2.3.2赛程时间启动 / 暂停设置当时间设置完成后，比如设置赛程时间为45分钟，则在图3-4所示的LED显示器上显示为4500，45表示分钟，00表示秒钟。这时，如果裁判吹响开始的哨声时，则应立即按下按键K7，表示赛程开始，计时显示则由4500变成4459，4458一直计时直到计为0000时表示赛程结束。按键K7为赛程启动和暂停控制。3.2.3.3比分交换控制比分交换控制由图1.1所示的K7键完成。我们知道，因为比分交换是在上半场赛程结束后进行的，也就是说比分交换受赛程时间控制，只有当上半场计时器指示为0000时，按K7键，则会自动交换甲、乙两队的比分。如果上半场赛程时间没有到0000时，则此时按下K7键，只会暂停比赛，不能交换分数。如果要继续比赛，再按一次K7即可。因此，K7键完成三重功能，即：启动，暂停，比分交换。3.2.3.4比分刷新控制由于在比赛中，甲、乙两队的比分是不断在变化的，所以需要设置比分刷新控制装置；此部分功能由图所示的计分电路中的按键开关K1K4来完成的：K1键：完成甲队加1分操作K2键：完成甲队减1分操作K3键：完成乙队加1分操作K4键：完成乙队减1分操作 3.2.3.5计时计分显示计时计分显示器是采用七段共阴LED显示器来显示的。其中计分是用6个LED显示器。计时采用4个LED显示器；显示格式为000 000和00 00。3.2.3.6赛程结束报警当比赛结束时，系统会自动发出10秒钟报警声，提示赛程结束。3.3硬件总体设计这次设计的核心是：如何运用AT89C51单片机，CD451译码芯片，CD4094 8位移位寄存器。7段共阴LED显示数码管等电子元件完成显示设计在电路上的实现。从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形和文字的各个点所在位置对应的LED器件发光，就能得到结果。本次设计采用的是静态驱动方式。所谓静态驱动，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。下面是用PROTEL画的总体电路图：图3-5 系统总体电路图3.4 计时电路部分3.4.1.振荡电路本次设计要使用到AT89C51单片机的时钟振荡功能。AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。振荡电路如下图所示图3-6 时钟振荡电路如图3-6，外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联谐振电路。谐振器本身对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度以及温度的稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pF，而使用陶瓷谐振器建议选择40pF。我们也可以使用外部时钟，采用外部时钟电路如图所示图3-7 外部时钟电路在外接时钟的情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟脉冲的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个两分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合技术条件以及本次设计所采用硬件的要求。本次设计使用的是石英晶体谐振器，因此采用30pF的电容，频率大小采用12MHZ与6MHZ均可，这里采用的是12MHZ晶振。3.4.2计时电路原理本次设计中的计时部分采用的是7段共阴LED显示数码管以及CD4511芯片构成。由于本次设计采用的是静态显示，因此在连接电路时需要将CD4511的输入端，即显示数据口与AT89C51的P1.0P.13一一对应接上，并且由于采用了四个7段共阴数码管，因此也要采用四个CD4511芯片与之对应，同时LE端分别与AT89C51 的P.2P2.3连接。同时，CD4511的输出直接与LED的ag相接，便可实现对BCD的显示。3.4.3计分电路原理图图3-8 计时电路原理图3.4.4 计时电路的工作原理计时电路如图5-8所示，主要由开关K5K7，单片机AT89C51，译码器以及LED显示器构成。其工作过程如下：当比赛准备开始的时候，当调时（十位）开关K5按下时，产生一个低电平；立即数00H取出，同时对应调分（十位）控制端P2.0的LE输出高电平，表示此时可以向调分（十位）的CD4511发送数据，但CD4511的输出端不会有输出，因为LE=1时，CD4511锁存。这时，只要将要显示数据的代码经过P1口的P1.0送到CD4511的输入端AD端，送完后，将LE清零。这时便可以将要显示数据的代码经过CD4511译码后，从输出端ag输出，送LED显示器显示即可。调时按键开关每按一次，数字自动加1，直到调到需要设置的时间即可。调时（个位）的操作方法与上面一样时间设置完成后，启动定时器T0开始定时计数。计时采用倒计时，比如：设置的时间为45分钟，则在LED上显示4500四位数。定时T0计数60秒后中断返回，继续定时计数下一个60秒；同时则在4位LED显示器上显示4459四位数，表示时间已过去1秒钟，即为44分59秒。这样一直持续下去，直到变为“0000”时表示赛程结束。如果比赛中，裁判叫暂停，则只要按一下K7键，即可暂停计时。3.5计分电路部分8051系列单片机除了有4个8位并行口外，还有一个能同时进行串行发送和接收的全双工串行通信口。它能同时发送和接收数据，还能作为同步移位寄存器使用。球赛计分电路正是利用了8051单片机串行口可以外接串行输入并行输出移位寄存作用为输出口来实现球赛比分刷新显示的。3.5.1 串行接口工作原理MCS-51系列单片机片内有一个串行IO端口，通过引脚 RXD(P30)和TXD(P31)可与外设电路进行全双工的 串行异步通信。 8051单片机的串行端口有4种基本工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的IO电路；方式1多用于双机之间或与外设电路的通信；方式2，3除有方式l的功